Versuchsziele. Grundlagen. Überblick: FB Automatisierung und Informatik Betriebssysteme Thema: Bounded-Buffer-Problem. 3.

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1 Hochschule Harz 3. Labor Threads FB Automatisierung und Informatik Betriebssysteme Thema: Bounded-Buffer-Problem Versuchsziele Vertiefung im Verständnis der Thread- und Semaphor-Programmierung. Grundlagen Programmieren mit mehreren Threads ist eine Form der parallelen Programmierung - eine Art des Entwurfs und der Implementierung von parallelen Programmen. Traditionell hat eine parallele Anwendung mehrere nebeneinander ausführbare Prozesse/ Threads. Im Betrieb werden diese Threads von einem Hauptprogramm erzeugt und zerstört. Die Threads müssen zusammenarbeiten und Daten miteinander teilen. Überblick: Entwickeln Sie ein Programm, welches das Bounded-Buffer-Problem simuliert. Dazu werden mehrere Erzeuger-Threads und mehrere Verbraucher-Threads erzeugt, die jeweils unabhängig agieren. Die einzelnen Erzeuger speichern die Daten in einem gemeinsamen Puffer. Die einzelnen Verbraucher holen diese Daten aus dem gemeinsamen Speicher. Dabei korrespondieren jeweils zwei Threads (Erzeuger vs. Verbraucher). Es gibt also insgesamt drei Paare von Threads. In der main-methode werden die sechs Threads erzeugt und mit einem Parameter gestartet. Die jeweiligen Erzeuger speichern ihre Daten im Puffer und die Verbraucher holen ihre jeweiligen Werte aus dem gemeinsamen Speicher. Gesteuert wird der Zugriff auf dem Puffer mittels Semaphore. Skizze: 1

2 Überblick: In der Methode action werden die Threads, die Semaphore und der Puffer erzeugt. Danach starten die Threads (start). Nach dem Erzeugen aller Threads werten diese die übergegeben Parameter aus: o Klasse Param: o numberloops o numberbuffers o drei Semaphore o Eine Instanz der Klasse Buffer o Zusätzliche Parameter o pause o id Die Erzeuger-Thread tragen einen Datensatz mit einer Id in den Puffer ein und unterbrechen ihren Prozess mittels der sleep-anweisung. Die gespeicherten Id s im Puffer müssen aus dem Parameterblock stammen. Die Verbraucher-Thread holen einen Datensatz mit ihrer Verbraucher-Id aus dem Puffer und unterbrechen danach ihren Prozess mittels der sleep-anweisung. Der Erzeuger 1 gibt seine Daten immer an Verbraucher 1 Der Erzeuger 2 gibt seine Daten immer an Verbraucher 2 Der Erzeuger 3 gibt seine Daten immer an Verbraucher 3 Ist der Puffer voll, müssen die Erzeuger warten. Ist der Puffer leer, müssen die Verbraucher warten. Durch geeignete Semaphore ist diese Problematik zu lösen. Die Anzahl der Speicher ist durch eine Konstante definiert worden. o Diese muss benutzt werden Jeder Erzeuger sendet 10 Pakete (Konstante verwenden). o Jeder Verbraucher empfängt 10 Pakete (Konstante verwenden). o Im Erzeuger und im Verbraucher werden in der Schleife die gesendeten Pakete gezählt Testen Sie am Schluss die Pausenzeiten mit den Varianten im Menü Anzahl der Zeilen der Musterlösung: 209 Zeilen Aufgabe Abbildung 1 Startbildschirm der Musterlösung 2

3 Action mit wahl=1 Action mit wahl=2 Action mit wahl=3 3

4 Klassenübersicht: Klasse Labor3 (Methoden): private void action(int p1,int p2,int p3,int p4,int p5,int p6); o p1 bis p6 sind die Pausenzeiten für die sechs Threads. o Erzeugen einer Param-Instanz o Erzeugen der drei Erzeuger o Erzeugen der drei Verbraucher o Starten der sechs Threads public void ReadConsole() ; o Anzeige des Menüs. public static void main(string[] args); Klasse Param: Public Attribute o Drei Semaphore o Eine Instanz der Klasse Buffer o anzpakete o int numberloops // wieviele Bestellungen werden pro Erzeuger verschickt o int numberbuffers // wieviele Fächer für die Bestellungen gibt es Klasse ReturnClass: Diese Klasse ist notwendig, da getpaket mehrere Werte zurück gibt Public Attribute o boolean valid // wurde eine Bestellung gefunden o int sendeid // wer war der Sender? o int paket // eigentliche Bestellung (stark vereinfacht) Klasse Buffer: interne Klasse BufferPackage: o Public Attribute paket sendeid Variable für die Zustandsbeschreibung von Buffer o int numberloops // wieviele Bestellungen werden pro Erzeuger verschickt o int numberbuffers // wieviele Fächer für die Bestellungen gibt es Attribute: o BufferPackage // Feld o Parameter int numberbuffers o Erstellen des Feldes o Initialisieren des Feldes Methode insertpaket o public void insertpaket(int sendeid, int paket) fügt die Bestellung in das erste leere Regalfach. Methode getpaket o public ReturnClass getpaket(int sendeid) o Sucht für die sendeid eine Bestellung im Regal. 4

5 o Wenn eine Bestellung gefunden wurde, wird es im Rückgabeobjekt rc eingetragen und der Rückgabewert ist true. o Wenn keine Bestellung gefunden wurde, ist der Rückgabewert ist false. Klasse Erzeuger: Attribute: o Param param o int id o int pause o public Erzeuger(Param param, int id, int pause) o Parameter in globale Variablen speichern Methode run o Sendet in einer Schleife anzpakete Bestellungen. Pause Senden Klasse Verbraucher: Attribute: o Param param o int id o int pause o public Verbraucher(Param param, int id, int pause) o Die Parameter in globale Variablen speichern. Methode run o lokale Variable anzpakete auf null setzen. o Empfängt in einer Schleife anzpakete Bestellungen. Pause Empfangen Analyse des Rückgabewertes. 5

6 Arbeitsschritte: Eclipse-Projekt 1) Anlegen eines Eclipse-Projekt (siehe Unterlagen im Web, neben der Aufgabenstellung) 2) Anlegen einer Klasse Labor3 Kopieren der Vorlage für die Klasse Labor3 (Datei Labor3.txt). Klasse Param: 3) Anlegen einer Klasse Param. Import-Anweisung: o import java.util.concurrent.semaphore; Globale Attribute erstellen. o Semaphore o buffer // buffer Feld o numberloops o Konstruktor erstellen o Parameter: int numberloops // wieviele Bestellungen werden verschickt int numberbuffers // wie groß ist der Buffer o setzen der globalen Variablen Klasse ReturnClass 4) Anlegen einer Klasse ReturnClass. Diese Klasse ist notwendig, da die Methode getpaket mehrere Werte zurückgeben muss. Anlegen der Attribute: o public boolean valid; o public int sendeid; o public int paket; Klasse Buffer 5) Anlegen einer Klasse Buffer. interne Klasse BufferPackage: o Public Attribute paket oder order sendeid Variable für die Zustandsbeschreibung des Regalsfachs o int numberloops // wieviele Bestellungen werden pro Erzeuger verschickt o int numberbuffers // wieviele Fächer für die Bestellungen gibt es Anlegen der Attribute: o BufferPackages // Feld o Anlegen des Konstruktors o Parameter int numberbuffers o Erstellen der Felder o Initialisieren eines Feldes Methode insertpaket o Anlegen der Methode. o public void insertpaket(int id, int paket) 6

7 Man sucht mittels einer Schleife das erste freie Regalfach fügt die Bestellung in das Regal ein setzt die sendeids setzt das Feld frei setzt das Feld pakete Methode getpaket o Anlegen der Methode. o public ReturnClass getpaket(int sendeid) o Anlegen der Variablen rc ReturnClass rc = new ReturnClass(); o Sucht für die sendeid eine Bestellung Schleife über alle vorhandenen Bestellungen. o Wenn eine Bestellung gefunden wurde, wird diese mit der Id und des Paketes im Rückgabeobjekt rc eingetragen und der Rückgabewert ist true. o Wenn keine Bestellung gefunden wurde, ist der Rückgabewert ist false. Klasse Erzeuger 6) Anlegen einer Klasse Erzeuger. Import-Anweisung: o import java.util.concurrent.semaphore; Attribute: o Anlegen der Attribute: Param param int id int pause o public Erzeuger(Param param, int id, int pause) o Parameter in globale Variablen speichern. Methode run o Sendet in einer Schleife anzpakete Bestellungen Pause Senden 7

8 Klasse Verbraucher: 7) Anlegen einer Klasse Verbraucher. Import-Anweisung: o import java.util.concurrent.semaphore; Attribute: o Anlegen der Attribute: Param param int id int pause o public Verbraucher(Param param, int id, int pause) o Parameter in globale Variablen speichern. Methode run o Lokale Variable anzpakete auf null setzen (dient zur Überprüfung der geholten Bestellungen) o Empfängt in einer Schleife anzpakete Bestellungen Pause Empfangen Analyse des Rückgabewertes Wenn erfolgreich: System.out.println(" Verbraucher id: "+id+" sendeid: "+rc.sendeid +" paket: "+rc.paket ); anzpakete++ 8

9 Skizze für den Erzeuger und Verbraucher (stimmt nicht ganz mit der Aufgabenstellung überein): Erzeuger While (true) do <Erzeuge Daten> DOWN(frei); DOWN(kritisch); <in den Puffer schreiben> UP(kritisch); UP(belegt); End Semaphor kritisch = 1; // steuert den Zugriff auf den Puffer Semaphor frei = n; // n Pufferplätze Semaphor belegt = 0; While (true) do DOWN(belegt); DOWN(kritisch); <aus den Puffer lesen> UP(kritisch); UP(frei); <verarbeite Daten> end Verbraucher Semaphore Semaphore sind ab dem JDK 1, 5 in Java implementiert. Package: import java.util.concurrent.semaphore; Konstruktor: Semaphore(int permits, boolean fair); Methoden Down: public void acquire() throws InterruptedException; public void acquire(int permits) throws InterruptedException; Methoden Up: public void release() throws InterruptedException; public void release(int permits) throws InterruptedException; 9

10 Beispiel: // Erzeugt fünf Thread, die über ein Semaphore gesteuert werden. // Jeweils zwei Thread können gleichzeitig in den kritischen Bereich eintreten. public void test() { Semaphore sem; sem = new Semaphore(2,true), // Semaphore erzeugt mythread t1 = mythread(sem); mythread t2 = mythread(sem); mythread t3 = mythread(sem); mythread t4 = mythread(sem); mythread t5 = mythread(sem); t1.start(); t2.start(); t3.start(); t4.start(); t5.start(); try { t1.join(); t2.join(); t3.join(); t4.join(); t5.join(); catch (InterruptedException ei) { syso("ende"); // Threadklasse class mythread extends Thread{ Semaphore sem; public mythread(semaphore sem) { this.sem = sem; public void run(){ while (true) { sem. acquire(); // some work sem.release(); // down // up 10